Một Số Loại Vật Liệu Nano Và Các Lĩnh Vực Sử Dụng

dễ bị phân giải khi ở nhiệt độ cao. Hemixenlulo phân giải trong khoảng nhiệt độ từ 200 - 260 oC. Độ bền vững của hemixenlulo so với xenlulo là thấp mà tính ổn định nhiệt của đường trong gỗ của hemixenlulo rất thấp, nó rất dễ phát sinh phản ứng thoát nước. Hemixenlulo ở nhiệt độ tương đối thấp phát sinh phân giải sinh ra khối lượng lớn axít acetic và chất khí không cháy, đồng thời có ít dầu gỗ. Hemixenlulo dễ bị thuỷ phân dưới tác dụng của acid.

Hemixenlulo có cấu trúc phức tạp hơn xenlulo và cấu trúc phân tử có mạch nhánh nhiều, độ trùng hợp thấp n < 200. Do cấu trúc mạch nhánh hemixenlulo có cấu trúc chủ yếu ở vùng vô định hình, ngoài ra còn có một ít tồn tại ở vùng tinh thể của xenlulo. Vì vậy nó dễ thủy phân trong dung dịch axit, dễ bị chiết xuất khỏi sợi trong dung dịch kiềm loãng, dễ hấp thụ ẩm, có khả năng thủy phân dưới tác dụng của vi khuẩn và làm suy giảm độ bền nhiệt của sợi, tính chất cơ học kém, không bền.

Hemixenlulo là một trong những chất cao phân tử chủ yếu của gỗ nhạy cảm nhất với điều kiện môi trường. Sự biến đổi, tính chất và đặc điểm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất gia công sử dụng gỗ. Hemixenlulo là vật chất vô định hình, phân nhánh, trên mạch chính và mạch nhánh hàm chứa rất nhiều nhóm thân nước như: -OH, -COOH, đây là các thành phần có tính hút nước rất mạnh, là một trong những nguyên nhân làm cho gỗ trương nở, biến dạng, nứt, nẻ.

Sự có mặt của hemixenlulo là một trong những nguyên nhân làm cho gỗ có tính axit yếu. Hemixenlulo có nhiều nhóm chức có tính hoàn nguyên, dễ bị ô xy hoá thành gốc -COOH, trong môi trường ẩm ướt, nhóm acetyl (-C=O) trên phân tử hemixenlulo dễ bị thủy phân tạo thành axit axetic, làm cho tính axit của gỗ tăng lên, khi sử dụng gỗ có tính axit mạnh để sản xuất thùng đừng linh kiện kim loại có thể làm ăn mòn kim loại. Trong quá trình sấy, do phun ẩm và gia nhiệt, có thể gia tăng tốc độ thủy phân của hemixenlulo tạo thành các axit tự

do, vì thế làm cho tường và các thiết bị trong lò sấy sau một thời gian sử dụng xuất hiện hiện tượng ăn mòn.

3.1.3. Lignin

Lignin có cấu trúc vô định hình, có khối lượng phân tử từ 4000-10000, độ trùng hợp cao n = 25 - 45, liên kết giữa các đơn vị lignin rất phức tạp. Bản chất của các liên kết này chưa được xác định rõ ràng, trong lignin có nhiều nhóm chức như hydroxyl tự do, nhóm metoxyl, nhóm cacbonyl và nối đôi, nhờ vậy mà nó có thể tham gia các phản ứng như oxy hóa làm đứt mạch cacbon tạo thành các axit béo và thơm, hydro hóa và khử, phản ứng với halogen, axit nitric, phản ứng metyl hóa.

Liên kết giữa lignin và xenlulo có ý nghĩa quyết định đến tính chất cơ học, vật lý của gỗ. Lignin có vai trò như một chất liên kết các sợi xenlulo trong vách tế bào làm cho gỗ có tính chất cơ học, lý học nhất định. Liên kết lignin và xenlulo có ảnh hưởng lớn đến mức độ giãn nở và hút nước cuả gỗ. Tính chất cơ học và hiện tượng giãn nở của gỗ phụ thuộc vào mức độ liên kết, bản chất hoá học của các thành phần có trong gỗ mà trước tiên phải kể đến vai trò của nhóm hydroxyl, chiều dài các phân tử xenlulo, hemixenlulo, lignin và liên kết giữa các thành phần đó. Để cải thiện tính chất hút nước và giãn nở của gỗ, ta cần có những tác động vào nhóm hydroxyl, để thay đổi tính chất cơ học ta cần tác động làm thay đổi độ polime, khoảng cách giữa các phân tử.

3.2. Công nghệ và vật liệu nano

Vật liệu nano là loại vật liệu siêu nhỏ, có kích thước từ 1-100nm, vật liệu nano có thể được phân ra thành 2 loại: (1)Vi hạt Nano, tức là chỉ những loại hạt siêu nhỏ có kích thước ở cấp độ nano mét, kích thước của chúng lớn hơn kích thước của nguyên tử và nhỏ hơn kích thước của các vi hạt thông thường, kích thước nằm trong khoảng 1-100nm, những hạt này bằng mắt thường và bằng kính hiển vi thông thường không thể quan sát được các hạt đơn lẻ, mà chỉ có

thể quan sát được bằng kính hiển vi siêu điện tử có độ phóng đại rất cao; (2) Nano dạng rắn, chúng còn có tên gọi là vật liệu nano kết cấu, chúng do các hạt nano có kích thước 1-100 nm tụ hợp lại với nhau hình thành nên dạng màng siêu mỏng hoặc dạng sợi Nano.

Công nghệ nano là công nghệ nghiên cứu thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo thông qua khống chế hình dạng và kích thước ở cấp độ nano mét.

Năm 1959, giáo sư Richard Feyman (Viện Công nghệ Masstchusets- MIT) đề xuất ý tưởng mới, theo đó ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử và hơn nữa. Đây là ý tưởng mà sau này trở thành một trong hai cách tạo ra vật liệu nano bằng phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Thuật ngữ “công nghệ nano” thực sự được sử dụng vào năm 1974 khi Nario Taniguchi, nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo, đã sử dụng thuật ngữ này để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.

Vật liệu nano (bao gồm các màng nano, sợi và ống nano, hạt nano, que nano) được chế tạo bằng nhiều cách. Vật liệu nano có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được. Đó là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích bề mặt của vật liệu này. Trên thi trường hiện nay vật liệu nano được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực (Bảng 3.1).

Bảng 3.1. Một số loại vật liệu nano và các lĩnh vực sử dụng

Loại sản phẩm

Số lượng	Lĩnh vực sử dụng	Tỷ lệ (%)
Hạt Nano	160	Y/dược	30
Ống Nano	55	Hóa chất và vật liệu cao cấp	29
Vật liệu xốp Nano	22	CN Thông tin, viễn thông	21
Lồng Nano	21	Năng lượng	10
Châm lượng tử	19	Tự động hóa	5
Vật liệu cấu trúc Nano	16	Hàng không vũ trụ	2
Sợi Nano	9	Dệt	2

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 174 trang tài liệu này.

Trên thế giới, các nước như Mỹ, Nhật Bản… đang dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ mũi nhọn này. Các nước chậm phát triển cũng đang kỳ vọng sẽ thoát khỏi đói nghèo nhờ công nghệ Nano.

3.3. Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên và lý thuyết thấm ướt

3.3.1. Hiện tượng kỵ nước trong tự nhiên

Sinh vật trong tự nhiên có rất nhiều loài có bộ phận cơ thể có tính siêu kỵ nước. Bề mặt lá Sen là một bề mặt siêu kỵ nước điển hình. Các giọt nước dễ dàng lăn trên bề mặt, và lấy đi bụi bám trên bề mặt, hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng lá sen” hoặc “hiệu ứng tự làm sạch” [19]. Nghiên cứu cho thấy, các tính chất đặc biệt như tự làm sạch, siêu kỵ nước của bề mặt lá sen là do sự tồn tại của cấu trúc nhấp nhô cấp độ micro/nano cùng với tác động của chất sáp trên bề mặt kết hợp tạo nên (hình 3.4).

Hình 3.4. Hình ảnh bề mặt siêu kỵ nước của lá Sen (Nelumbo nucifera) và cấu trúc hiển vi của bề mặt lá Sen [33]

Gao và cộng sự [22] cho rằng hiện tượng siêu kỵ nước và lực hỗ trợ cao trên bề mặt ở chân Nhện nước (Gerris remigis) có nguồn gốc từ cấu trúc thứ bậc (hierarchical structure) ở cấp độ nano, như hình 1.2. Bề mặt của chân Nhện nước được sắp xếp theo hình lông cứng với kích thước micro, và mỗi một sợi lông cứng lại có rãnh nano hình xoắn. Với loại cấu trúc micro/nano này đã làm cho bề mặt của nó ít bị ướt bởi các giọt nước.

Hình 3.5. Cấu trúc bề mặt chân Nhện nước (Gerris remigis)

Thanh tỉ lệ trong hình b, c có độ dài lần lượt là 20 m và 200 nm

“Hiệu ứng lá Sen” như đề cập ở đây đã trở thành tiền đề cho ý tưởng chế tạo các vật liệu siêu kỵ nước. Hiện tại, việc chế tạo các bề mặt siêu kỵ nước có thể đạt được bằng hai nhóm giải pháp: (1) Nhóm thứ nhất là sử dụng các vật chất có khả năng làm giảm năng lượng bề mặt vật liệu, (2) Nhóm thứ hai là sử dụng các giải pháp xử lý tạo ra độ ráp cho bề mặt vật liệu.

3.3.2. Lý thuyết thấm ướt bề mặt

Thông thường, tính thấm ướt bề mặt/tính năng siêu kỵ nước được đánh giá thông qua việc xác định góc tiếp xúc giọt nước với bề mặt và góc trượt/lăn của giọt nước trên bề mặt vật liệu.

3.3.2.1. Góc thấm ướt/góc tiếp xúc

Mức độ thấm ướt của chất lỏng trên bề mặt vật rắn được đánh giá thông qua góc tiếp xúc. Độ lớn của góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng trên bề mặt vật rắn chỉ ra khả năng dàn trải của giọt chất lỏng trên bề mặt. Khi sức căng giữa các bề mặt rắn, lỏng, khí đạt đến trạng thái cân bằng, góc hợp bởi tiếp tuyến tại vị trí tiếp xúc giữa bề mặt chất lỏng và bề mặt vật rắn với bề mặt vật rắn được gọi là góc tiếp xúc θ (hình 3.6).

Mối quan hệ giữa góc tiếp xúc và sức căng bề mặt có thể được biểu diễn theo phương trình của Young [14]:

cos θ = (γSL + γLV)/γSV

Young cho rằng các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt rắn là: γSV- lực căng bề mặt giữa giao diện pha rắn và pha

khí, γSL- lực căng bề mặt giữa giao diện lỏng và rắn, γLV- lực căng bề mặt giữa giao diện khí và lỏng, nhưng phương trình của Young đã giả thiết rằng bề mặt rắn là bề mặt nhẵn bóng, để lý tưởng hoá mô hình. Tuy nhiên, trong thực tế thì không thể có bề mặt nhẵn bóng hoàn toàn, do đó, độ lớn của góc tiếp xúc phải xem xét đến sự ảnh hưởng của độ nhám/thô của bề mặt, như hình 3.7.

Hình 3.6. Góc tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt vật rắn [52]

θ < 90o – bề mặt ưa nước; θ > 90o – bề mặt kỵ nước; θ > 150o – bề mặt siêu kỵ nước

Hình 3.7. Mô hình tiếp xúc giữa giọt chất lỏng và bề mặt rắn theo mô hình Wenzel (trái) và Cassie- Baxter (phải) [52]

Wenzel [15] căn cứ vào phương trình của Young đã thêm vào độ nhám r, r biểu thị tỉ lệ diện tích bên ngoài (diện tích mặt phẳng) và diện tích thật của bề mặt thực tế tại bề mặt tiếp xúc, tại thời điểm này, mối quan hệ giữa góc tiếp xúc θ của giọt nước với bề mặt rắn và lực căng bề mặt như sau:

cosθr = r(γSL + γLV)/γSV = rcosθ

Từ đó có thể thấy, khi độ nhám tăng đến một mức độ nhất định, sự tiếp xúc của các giọt nước trên bề mặt nhám là một góc tiếp xúc tổng hợp, các giọt nước sẽ tiếp xúc với không khí bị mắc kẹt trên bề mặt rắn, như phương trình Cassie [17] [16] (hình 1.4). Gọi f1, f2 lần lượt là phần diện tích chiếm chỗ của vật rắn và không khí, θ1 là góc tiếp xúc giữa giọt nước và bề mặt nhẵn, θ2 là

góc tiếp xúc giữa giọt nước và không khí. Góc tiếp xúc tổng hợp thực tế θ’ được tính theo phương trình sau:

cosθ'= f1cosθ1 + f2cosθ2

Do góc tiếp xúc θ2 giữa giọt nước và không khí là 180o, f1 + f2 =1, nên công thức này có thể được chuyển thành:

cosθ'= f1cosθ1 - f2 = f1cosθ1 - f1 - 1

Phương trình Wenzel và Cassie có thể được chuyển đổi với nhau dưới những điều kiện nhất định. Khi thay đổi cấu trúc hình học bề mặt rắn, tăng độ nhám của bề mặt rắn, trạng thái của các giọt nước trên bề mặt rắn sẽ được chuyển đổi từ mô hình của Wenzel sang phương trình Cassie [23]; sau khi bề mặt rắn bị mài mòn cơ học như ma sát, cấu tạo thô hoặc thành phần hoá học của bề mặt rắn sẽ bị phá huỷ, sẽ chuyển đổi từ phương trình Cassie sang phương trình Wenzel [55] [61].

3.3.2.2. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis)

Trong nghiên cứu tính thấm ướt của bề mặt vật liệu, nếu chỉ dựa vào độ lớn góc tiếp xúc tĩnh thì chưa đủ để đánh giá tổng thể mà cần xem xét đến hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis).

Hình 3.8. Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc (Contact angle hysteresis)

Hiện tượng trễ của góc tiếp xúc phản ánh khả năng lăn/trượt của giọt nước trên bề mặt vật rắn. Để đánh giá hiện tượng này có thể thông qua tính toán độ chênh lệch giữa góc tiếp xúc phía trước (θA) và góc tiếp xúc phía sau (θB) của giọt nước. Độ chênh lệch càng nhỏ thể hiện góc tiếp xúc trễ nhỏ, giọt nước dễ dàng lăn/trượt trên bề mặt vật rắn. Góc lăn/trượt là góc nghiêng của bề mặt vật liệu so với mặt đất () khi giọt nước bắt đầu lăn/trượt. Giá trị của góc này phản

ánh độ lớn của góc tiếp xúc trễ, có thể sử dụng góc lăn/trượt để thay thế cho việc đo góc tiếp xúc trễ. Có thể sử dụng độ lớn góc lăn/trượt để thay thế mô hình Wenzel và Cassie trong đánh giá tính thấm ướt của vật liệu. Trong mô hình của Wenzel, giọt nước dính vào bề mặt vật rắn, góc lăn/trượt lúc này khá lớn. Nhưng trong mô hình Cassie do diện tích tiếp xúc nhỏ, giọt nước dễ lăn/trượt, góc lăn/trượt nhỏ, bề mặt siêu kỵ nước thường phù hợp với mô hình của Cassie, yêu cầu góc tiếp xúc lớn hơn 150o, góc lăn/trượt nhỏ hơn 10o.

3.4. Đặc điểm của nano ZnO

Hình 3.9. Cấu trúc tinh thể ZnO

Nano ZnO là một loại vật liệu mới II-VI thuộc họ thể bán dẫn vùng cấm rộng, có hằng số mạng lưới và độ rộng vùng cấm gần với của GaN, nhưng so với GaN, ZnO có điểm nóng chảy và năng lượng liên kết exiton cao hơn, tính ngẫu hợp cơ điện cũng vượt trội hơn hẳn. ZnO ở nhiệt độ thường có cấu trúc ổn định là wurtzite lục giác, độ rộng vùng cấm là 3.37eV, có độ rộng vùng cấm tương tự như của nano TiO2, năng lượng liên kết exiton của nó là 60meV, là điển hình của vật liệu xúc tác quang bán dẫn có tính năng ưu việt. Tham số mạng tinh thể của nó là α=3.255Ǻ, c=5.2073Ǻ, Z=2. Cấu trúc tinh thể của nó như thể hiện trên hình 3.9.

Do nano ZnO có tinh năng quang học và điện học vượt trội, cho nên nó được ứng rụng rộng rãi trong nhiều phương diện và lĩnh vực, như trong vật liệu